Comparative Evaluation of Shallow and Deep Foundation Design in Variable Cohesionless-Cohesive Soil Strata: A Structural-Geotechnical Perspective

Ogni edificio, da una modesta abitazione a un imponente grattacielo, si affida a un partner invisibile per restare eretto: la fondazione. Questa struttura sotterranea funge da ponte critico, trasferendo l'immenso peso delle pareti, dei pavimenti e del tetto verso il terreno sottostante. Tuttavia, il suolo non è un blocco solido e uniforme; è un mezzo complesso e vivo di terreno e roccia che si comporta diversamente sotto pressione. Alcuni terreni sono densi e granulosi, come la sabbia asciutta, offrendo una ferma resistenza. Altri sono morbidi e appiccicosi, come l'argilla umida, che può deformarsi e assestarsi nel tempo. Se un costruttore posiziona una struttura pesante su un terreno soffice senza adeguare il progetto, il terreno può comprimersi in modo disomogeneo. Questo cedimento differenziale, noto come assestamento differenziale, può causare crepe nelle pareti, incastri nelle porte e, in casi gravi, il crollo strutturale. La sfida centrale per gli ingegneri è far corrispondere il tipo di fondazione alla natura specifica del terreno, garantendo che l'edificio rimanga sicuro e livellato per decenni.

In uno studio recente, ricercatori del Structural and Geotechnical Engineering Research Group presso il D Y Patil Technical Campus a Talsande, in India, hanno affrontato esattamente questo problema. Si sono posti l'obiettivo di confrontare come diversi design di fondazione si comportano quando sottoposti allo stesso carico pesante su tre tipi di terreno molto diversi tra loro. Il team si è concentrato su una struttura standard di un edificio di cinque piani, applicando una forza verso il basso costante di 1200 kilonewton per vedere come diverse strategie di fondazione avrebbero retto l'urto. Hanno esaminato quattro approcci distinti: la fondazione isolata a plinto, che consiste in un singolo blocco di cemento sotto ogni colonna; la fondazione combinata, che collega due colonne; la fondazione a platea o a zattera, un grande solaio continuo che sostiene l'intero edificio; e la fondazione profonda su pali, dove lunghe colonne di cemento vengono perforate in profondità nel terreno per bypassare gli strati deboli. Il loro obiettivo era determinare quale metodo offrisse il miglior equilibrio tra sicurezza, costi e stabilità in terreni che vanno dalla sabbia densa all'argilla marina morbida e comprimibile.

Lo studio è iniziato modellando il comportamento di tre specifici strati di terreno. Il primo era una sabbia densa e priva di coesione, che rappresenta un terreno forte dove le particelle di suolo si incastrano strettamente tra loro. Il secondo era un terreno a media consistenza che possedeva sia una certa appiccicosità che una certa frizione, un mix comune in molti cantieri. Il terzo era uno strato altamente problematico di argilla marina morbida e satura, un materiale noto per essere debole e incline a un cedimento significativo sotto carico. Utilizzando teorie consolidate di meccanica dei suoli, i ricercatori hanno calcolato quanto ogni tipo di fondazione sarebbe sprofondato e se il terreno potesse sostenere il peso senza cedere. Hanno considerato due criteri principali: se il terreno avrebbe subito una rottura per taglio sotto la pressione, e se l'edificio si sarebbe assestato troppo o in modo disomogeneo, il che potrebbe danneggiare la struttura sovrastante.

I risultati hanno rivelato una divisione chiara e drammatica basata sul tipo di terreno. Nella sabbia densa, la soluzione più semplice si è rivelata la più efficace. Una fondazione isolata a plinto, un singolo blocco di cemento di 1,8 metri per 1,8 metri, ha sostenuto facilmente il carico con una capacità sicura di 385 kilopascal. L'edificio si è assestato di soli 11,4 millimetri, una quantità minima che non pone alcun rischio per la struttura. Ciò ha confermato che per terreni granulari forti, i plinti isolati sono altamente efficienti ed economici. Tuttavia, man mano che la qualità del terreno degradava, le prestazioni di questi semplici plinti diminuivano rapidamente. Nel terreno a media consistenza, la dimensione richiesta del plinto doveva aumentare a 2,7 metri per 2,7 metri per prevenire il cedimento, e l'assestamento è salito a 28,6 millimetri.

La situazione è diventata critica nell'argilla marina morbida. Qui, i ricercatori hanno scoperto che un plinto isolato avrebbe dovuto essere enorme, coprendo un'area di 4,8 metri per 4,8 metri, per avvicinarsi anche solo a un limite di carico sicuro. Anche con queste dimensioni massicce, l'assestamento previsto era di pericolosi 118,5 millimetri. Lo studio ha evidenziato un problema geometrico cruciale: quando i singoli plinti diventano così grandi, le loro zone di influenza si sovrappongono significamente. Questa sovrapposizione crea una pressione cumulativa nel profondo del sottosuolo che accelera l'assestamento irregolare e può indurre momenti flettenti secondari nelle colonne e nelle travi dell'edificio, minacciando l'integrità dell'intera struttura. I ricercatori hanno osservato che quando l'area totale dei plinti isolati supera la metà dell'impronta dell'edificio, il design non è più praticabile.

Per risolvere il problema dell'argilla morbida, il team ha testato strategie alternative. Hanno scoperto che passare a una fondazione a platea, un grande solaio che copre l'intera impronta dell'edificio, aiutava a distribuire il carico in modo più uniforme. Ciò ha ridotto l'assestamento a 64,2 millimetri, un miglioramento significativo, ma la pressione sul terreno rimaneva alta e l'assestamento era ancora considerevole. La soluzione più efficace per l'argilla morbida è stata la fondazione profonda su pali. Inserendo pali in calcestruzzo gettato in opera mediante perforazione a una profondità di 14 metri, la struttura ha bypassato lo strato di argilla marina attraverso l'adesione laterale e ha sviluppato un'elevata resistenza alla punta nel sottostante strato di sabbia ghiaiosa densa. Questo approccio ha ridotto l'assestamento totale a soli 8,5 millimetri, una riduzione dell'86,7 percento rispetto al plinto isolato. Questo livello di stabilità ha portato l'assestamento ben entro i limiti di sicurezza necessari per prevenire danni strutturali.

I ricercatori hanno concluso che la sola capacità portante non è sufficiente per progettare una fondazione sicura; la capacità del terreno di assestarsi senza danneggiare l'edificio è spesso il fattore decisivo. Nei terreni forti, i semplici plinti isolati sono la scelta migliore. Nei terreni intermedi, possono essere necessarie fondazioni combinate o a gradoni. Ma nelle argille deboli e morbide, lo studio ha esplicitamente escluso i plinti isolati per qualsiasi struttura che non sia di bassissima altezza. Inveve, gli autori raccomandano che gli edifici di media e alta elevazione in tali condizioni debbano utilizzare sistemi di pali profondi o una combinazione di pali e platee. Le conclusioni forniscono un quadro decisionale chiaro per gli ingegneri: man mano che la resistenza del terreno diminuisce, la fondazione deve passare da semplici blocchi superficiali a sistemi profondi e interconnessi che raggiungano il terreno competente, garantendo che l'edificio sovrastante rimanga livellato e sicuro.